Pulsarin havaitseminen pienellä antennilla

Seuraa 
Viestejä45973
Liittynyt3.9.2015

Olisiko mahdollista tehdä pulsarihavaintoja pienellä antennilla, esim. Yagilla tai jollakin muulla pienellä antenniryhmällä, jota voidaan kotioloissa valmistaa?

Ensimmäiset pulsarit havaittiin Cavendish Laboratory, Cambridge; vierailin siellä prof. Tiurin kanssa hieman sen jälkeen kun Hewish oli saanut Novellinpalkinnon pulsareitten keksimisestä.

Lehdistö ilmoitti ensin, että nyt ovat pienet vihreät ukkeli liikkeellä:

When they were not sure what caused the signals they detected, Jocelyn Bell and her college advisor D. Anthony Hewish labeled the signal LGM for Little Green Men. They thought it could possibly be a beacon from an alien source.

Kun tein 1970 … 1980 luvulla tein monenlaisia havaintoja Metsähovin radioteleskoopilla, niin mielenkiintoisimmat mittaukset olivat mielestäni pulsarihavainnot. Metsähovinkin pieni 14 m lautasantenni katsottiin olevan niin pieni, että monet eivät edes uskoneet että sillä pystyttäisiin tekemään pulsarihavaintoja.

Olin valmistanut erikoisesti tätä tarkoitusta varten vastaanottimen, joka jakoi pulsarin pulssia noin 100 kondensaattoriin niin, että pystyi reaaliajassa seuraamaan miten pulssi vähitellen kasvoi esille näitten kondensaattoreitten varatausjakautumana. Ja ainakin yksi pulsari tuli niin hyvin, että jopa pienet sivupulssit pääpulssin vieressä näkyivät hyvin.

Nyt olen yrittänyt miettiä miten pienellä antennilla pulsareita, (edes joku) olisi havaittavissa kotioloissa kesämökilläni. Tämähän olisi mielenkiintoinen harrastus myöskin varttuneille radioamatööreille.

Mitä mieltä olette. Millaisella antennilla ja millaisilla laitteilla voidaan pulsareita havaita?

Sivut

Kommentit (194)

Paul M
Seuraa 
Viestejä8558
Liittynyt16.3.2005

Muistat varmaan paljonko signaalilla oli ennen vahvistamista tasoa tuolla usen metrin lautasantennilla. Sano voltteina. Millivoltteja?

Mikä taajuuskaista oli vallitsevana?

Hiirimeluexpertti. Majoneesitehtailija. Luonnontieteet: Maailman suurin uskonto. Avatar on halkaistu tykin kuula

Vierailija
Paul M
Muistat varmaan paljonko signaalilla oli ennen vahvistamista tasoa tuolla usen metrin lautasantennilla. Sano voltteina. Millivoltteja?

Mikä taajuuskaista oli vallitsevana?

Tässä vaiheessa ovat tietenkin kaikki parametrit ja tekijät valittavissa tai saa ehdottaa!

Itse tein havaintoja noin 600 MHz taajuudella. Voimakkain pulsari on tällä taajuudella noin 1 … 1.5 Janskya (Jy), eli noin 10^-26 Wattia /(neliömetri ja Hertzi).

Neliömetri on antennin efektiivinen pinta-ala ja Hertzi on vastaanottimen kaistanleveys.

Paul M
Seuraa 
Viestejä8558
Liittynyt16.3.2005

Siinä on varmaankin ollut muutaman MHz kaista 600 MHz keskitaajuudella täynnä kohinaa? Kohinalle ei päde tavallisen antennilaskennan säännöt kunnolla. Mutta kysehän on pohjimmiltaan siitä, onko tänä päivänä parempilaatuisia vahvistimia kuin 30 v sitten. Ja onhan niitä. Myös analogisen aikakauden TV-analyssaattoreita saa kohta ilmaiseksi harrastuspuuhiin. 600 MHz on nykyisten analogisten TV-lähetysten alueella.

Hiirimeluexpertti. Majoneesitehtailija. Luonnontieteet: Maailman suurin uskonto. Avatar on halkaistu tykin kuula

Vierailija
Paul M
Siinä on varmaankin ollut muutaman MHz kaista 600 MHz keskitaajuudella täynnä kohinaa? Kohinalle ei päde tavallisen antennilaskennan säännöt kunnolla. Mutta kysehän on pohjimmiltaan siitä, onko tänä päivänä parempilaatuisia vahvistimia kuin 30 v sitten. Ja onhan niitä. Myös analogisen aikakauden TV-analyssaattoreita saa kohta ilmaiseksi harrastuspuuhiin. 600 MHz on nykyisten analogisten TV-lähetysten alueella.

Arvasit kyllä suurin piirtein oikein. Itsekin minulla oli mielessä jotakin laitteita, jotka nykyään saa yleisesti ja kovin halvalla.

Mutta kohinalaskut pitävät kyllä varsin hyvin paikkansa, jos tietää mitä laskee!

Tästä pitäisi olla huomattavasti apua:

20.4.2005 /ST
S = 2 * k * KS * Tsys / (Ae * SQRT(BW * tau )) * 1 * 10^26
; Formula for min. detectable flux density from Radio Astronomy
; 2nd ed page 6-58 S is in Janskies,
; 10^-26 watts per meter squared per hertz
k = 1.38 * 10^-23 ; Boltzman's constant
KS = 1 ; receiver constant is 1 for total power receiver
Tsys = ? ; system temperature in degrees Kelvin
Ae = EF * .7854 * D^2 ; effective aperture in meters^2
; dish area times * practical efficiency (EF)
BW = ? ; bandwidth of receiver in Hertz
tau = ? ; integration time in seconds
S = ? ; smallest observable flux in Janskies
D = ? ; diameter of dish in meters

Vierailija

Radioastronomiassa puhumme yleensä kohinasuureista, kohinan tehollisarvosta tai kohinalämpötilasta. Signaali voltteina tai millivoltteina ei yleensä anneta, mutta sekin arvo on tietenkin laskettavissa.

Vastaanottimen kohinakerroin (NF: Noise Figure in dB) tai kohinalämpötila (T in Kelvin) ovat ehkä antennin jälkeen tärkeimpiä parametreja.

Tavallisesti laitetaan:

T=290*(F-1)

NF=10*LOG(F)

Laskettuna nämä kaavat antavat, kun kohinalämpötila on 10 … 300 K:

T [K]_ NF[dB]
-------------------------------
10.0 _ 0.15
20.0 _ 0.29
30.0 _ 0.43
40.0 _ 0.56
50.0 _ 0.69
60.0 _ 0.82
70.0 _ 0.94
80.0 _ 1.06
90.0 _ 1.17
100.0 _ 1.29
110.0 _ 1.40
120.0 _ 1.50
130.0 _ 1.61
140.0 _ 1.71
150.0 _ 1.81
160.0 _ 1.91
170.0 _ 2.00
180.0 _ 2.10
190.0_ 2.19
200.0 _ 2.28
210.0 _ 2.37
220.0 _ 2.45
230.0 _ 2.54
240.0 _ 2.62
250.0 _ 2.70
260.0 _ 2.78
270.0 _ 2.86
280.0_ 2.93
290.0 _ 3.01
300.0 _ 3.08

Tavallisesti vastaanottimen ensimmäinen aste määrää koko systeemin kohinalämpötilaa. Radioastronomiassa etuvahvistimen kohinalämpötila on useimmiten alle 100 K, ehkä lähemmäs 10 K jota voidaan saavuttaa jäähdyttämällä ensimmäistä vahvistinta.

Ohminen vastus (R) jonka fyysinen lämpötila on T=290 K tuottaa siis napojensa yli termistä kohinaa, jonka teho kaistalla B on:

N = k*T*B [Watt] = u^2 / (4*R)

k on Boltzmannin vakio 1.38 * 10^-23 [Joule / Kelvin]

u = sqrt(4*k*T*B*R)

Jos siis antenni jonka syöttöimpedanssi on 50 Ohm aikaansaa yhden Kelvinin lämpötilanousun kun sitä suunnataan mitattavaan kohteeseen, niin kohinajännite nousee etuvahvistimen (B= 1 MHz) sisäänmenossa:

u = 0.00005 mV (noin 5*10^-8 Volttia)

Paul M
Seuraa 
Viestejä8558
Liittynyt16.3.2005

Meillä sähkövoiman hallitsijoilla on käytössä kolmen suuruusluokan jako siten, että puhumme 5xE-8 sijasta 50 E-9. Näin voimme puhua vain piko- nano-, mikro- milli- jne volteista.

Eli kohinajännite nousee 50 pV. Mielettömän pieni luku nykyisillekin vahvistimille. Suuruusluokkana tuo taitaa olla 1/20.000 verrattuna tavalliseen maanpäälliseen radiotekniikan signaalitasoon pienillä signaalitasoilla. Mutulla ja vanhalla muistitiedolla nimittäin 1 mV on suuruusluokkana tavallinen antennista helposti saatava jännite. 50 pV on kyllä todella pieni jännite.

Tarvitaan edelleen poikkeuksellisen pienikohinaisia etuvahvistimia. TV-tekniikan vehkeet eivät kelpaa. Eteen pitää saada jokin typellä jäähdytetty vehje. Menee ohi ummarruksen nyt. Mutta jatkokäsittelyyn sopii TV-tekniikan tusinamittari.

Hiirimeluexpertti. Majoneesitehtailija. Luonnontieteet: Maailman suurin uskonto. Avatar on halkaistu tykin kuula

Vierailija

Pieni korjaus, Paul. 5E-8 V on kyllä 50E-9 Volttia, mutta eksponentti –9 on kyllä nano-Voltti (nV) eikä pico-Voltti (pV), joka edellyttäisi eksponenttia –12!

Ongelma pulsarin suhteen on nyt tämä: pitäisi aikaansaada niin pieni rms kohina vastaanottimen ulostulossa, että pulsarin pulssi nouse vähintään yhtä suureksi kuin tämä vastaanottimen ulostulossa vallitseva rms kohina, mieluimmin kolme neljä kertaa niin suureksi, jotta tämä pulsarisignaali olisi selvästi havaittavissa.

Käytettävissä oleva kaistanleveys on taas rajoitettu häiriöitten ja radioastronomialle säädettyjen kaistanleveyksien perusteella.

Mikäli antennin vahvistus (gain eli efektiivinen pinta-ala), etuvahvistimen kohinalämpötila ja kaistanleveys ovat niin hyviä kuin voimme aikaansaada, kohinaa saadaan pienenemään lisäämällä integrointiaikaa.

Antennin suhteen on taas se ongelma, että mitä suurempi gain (suuntaavuus) sitä pienempi keilanleveys ja sitä lyhyemmän ajan kohde pysyy antennikeilassa. Mikäli teemme antennin joka seuraa pulsaria taivalla niin integrointiaikaa (ja täten herkkyyttä) voidaan tietenkin lisätä lähes rajoituksitta, ellei kohde laske horisontin alapuolelle.

Mutta minulla oli mielessä kiinteä pieni antenni joka ei seuraa kohdetta. Näin ollen tietty pulsari menee Maapallon pyörimisestä johtuen kerran vuorokaudessa antennikeilan kautta. Ja pulsari pysyy keilassa tietenkin sitä kauemmin mitä leveämpi keila tai pienempi antennin vahvistus (gain) on.

Näitten edellytysten puitteissa pitäisi löytää jokin optimiratkaisu.

Minulla on mielessä radioastronomialle varattu taajuusalue 408 MHz, sekä voimakas pulsari PSR0329+54. Eteläsuomessa se siis menee kerran vuorokaudessa noin 5 asteen päästä zeniitistä, eli suunnasta joka on suoraan ylöspäin.

Pulsarin pulsseja tulisi myöskin pystyä vertaamaan tarkkaan aikaan, jotta pulsarin toistotaajuutta ja stabiilisutta pysyisi arvioimaan.

Vierailija

PSR0329+54 koordinaatit (epookki 1950):

RA= 03h 29m 11s
Dec= 54d 24’ 36”

Galaktinen longitudi (l II) 144.86 ja leveys (b II) –1.30

Tietojeni mukaan.

Olen sijoittanut tämän pulsarin SkyMap ohjelmaan. Voimme todeta, että tänään (22.4.2005) pulsari oli etelässä minun tämänhetkisen olinpaikalta nähtynä klo 14h 55m 49s

suunnassa: 179d 58’ 48”

korotuskulma: 84d 58’ 48”

Pulsarin 0329 vuontiheys (flux) taajuudella 408 MHz on 1512 mJy.

Paul M
Seuraa 
Viestejä8558
Liittynyt16.3.2005

Tosiaan. Nanovolttihan tuossa luuraa. Mutta laskettaneen muutaman lasillisen syyksi. Ja juttu tuli kertalaakista tuhat kertaa helpommaksi. Mutta typpijäähdytys tarvitaan edelleen.

Miksi et tekisi ensimmäiseksi kunnon antennia? Muutaman metrin lautasantenni ei ole mahdoton juttu. Paraboloidin muoto syntyy noilla taajuuksilla aivan naruviritelmillä. Heijastimen tarkkuusvaatimus on senttejä.

Ja miksi et tekisi seurantalaitteita? Seurantalaitteet varsinkin ovat nyt halpoja, jos ymmärrystä riittää. Saatavana on askelmoottoreita ja ohjaimia. Jopa PC:n väylään. Vapaasti ohjelmoitava askelmoottoriohjaus muutamalla satasella on tätä päivää. Ei ollut 70-luvulla.

Hiirimeluexpertti. Majoneesitehtailija. Luonnontieteet: Maailman suurin uskonto. Avatar on halkaistu tykin kuula

Vierailija
Paul M
Tosiaan. Nanovolttihan tuossa luuraa. Mutta laskettaneen muutaman lasillisen syyksi. Ja juttu tuli kertalaakista tuhat kertaa helpommaksi. Mutta typpijäähdytys tarvitaan edelleen.

Miksi et tekisi ensimmäiseksi kunnon antennia? Muutaman metrin lautasantenni ei ole mahdoton juttu. Paraboloidin muoto syntyy noilla taajuuksilla aivan naruviritelmillä. Heijastimen tarkkuusvaatimus on senttejä.

Ja miksi et tekisi seurantalaitteita? Seurantalaitteet varsinkin ovat nyt halpoja, jos ymmärrystä riittää. Saatavana on askelmoottoreita ja ohjaimia. Jopa PC:n väylään. Vapaasti ohjelmoitava askelmoottoriohjaus muutamalla satasella on tätä päivää. Ei ollut 70-luvulla.

Onhan asia noinkin. Mutta minulla olisi kyllä mahdollisuus (vaikka nyt olen eläkkeellä) lähteä esim. Saksaan havaitsemaan pulsareita Effelsbergin 100 m paraabeliantennilla. Monet radioastronomit ovat siellä tuttuja ja minulla on julkaisuja niitten kanssa. Suuret radioteleskoopit ovat kuitenkin aika varattuja, jaa niiltä saa vain lyhyitä havaintojaksoja.

Jos minulla olisi pieni antenni esim. 5m * 5m omalla tontillani, joka on suunnattuna lähes suoraan ylöspäin, niin saisin kuitenkin tietoja pulsarin periodista kerran päivässä. Ja pystyisin mittaamaan ja seuraamaan pulsarin periodin vaihteluja kuukausia tai vuosia automaattisesti. Tämän kokoisen suuntaavan ja seuraavan antennin kustannukset olisivat kumminkin huomattavia.

Ilmeisesti tavallinen audio-stereo AD-muunnin kelpaisi, ja pysyisin tallentamaan tietokoneen kovalevylle pulsarin mittaustuloksia toiselle kanavalle ja toiselle jonkun radiosta tulevan aikamerkkilähetyksen.

Loptio
Seuraa 
Viestejä1187
Liittynyt12.4.2005
HSTa
Minulla on mielessä radioastronomialle varattu taajuusalue 408 MHz, sekä voimakas pulsari PSR0329+54. .

Tuo 408MHz näyttäisi Ficoran mukaan olevan elinkeinoelämän käytössä. "407,525 - 408,550 MHz (1,025 MHz) Elinkeinoelämä". Voi olla kaistalla häiriötekijöitä, vaikka lähetystehot eivät saisikaan ylittää 5 W.

Ensimmäinen varsinaisesti radioastronomialle varattu kaista jonka löysin, oli 1400 - 1427 MHz.

Vierailija
Loptio
HSTa
Minulla on mielessä radioastronomialle varattu taajuusalue 408 MHz, sekä voimakas pulsari PSR0329+54. .



Tuo 408MHz näyttäisi Ficoran mukaan olevan elinkeinoelämän käytössä. "407,525 - 408,550 MHz (1,025 MHz) Elinkeinoelämä". Voi olla kaistalla häiriötekijöitä, vaikka lähetystehot eivät saisikaan ylittää 5 W.

Ensimmäinen varsinaisesti radioastronomialle varattu kaista jonka löysin, oli 1400 - 1427 MHz.

Nämä taajuusalueet ovat kovin rajoitettu luonnonvara, ja niistä käydään kovaa vääntöä. Radioastronomit tuntuvat olevan koko ajan yhä ahtaammalla. Löysin kuitenkin listan, jossa mainitaan seuraava taajuusalue:

406.1-410 MHz,

FOOTNOTES FROM WRC-95 RELEVANT TO RADIO ASTRONOMY AND PASSIVE USES OF SPACE RESEARCH AND THE EARTH EXPLORATION-SATELLITE

MOD S5.149
In making assignments to stations of other services to which the bands:
13360-13410 kHz,
25550-25670 kHz,
37.5-38.25 MHz,
73-74.6 MHz in Regions 1and 3,
79.75-80.25 MHz in Region 3,
150.05-153 MHz in Region 1,
322-328.6 MHz*,
406.1-410 MHz,
608-614 MHz in Regions 1 and 3,
1330-1400 MHz*,
1610.6-1613.8 MHz*,
1660-1670 MHz,
1718.8-1722.2 MHz*,
2655-2690 MHz,
3260-3267 MHz*,
3332-3339 MHz*,
3345.8-3352.5 MHz*,
4825-4835 MHz*,
4950-4990 MHz,
4990-5000 MHz,
6650-6675.2 MHz*,
10.6-10.68 GHz,
14.47-14.5 GHz*,
22.01-22.21 GHz*,
22.21-22.5 GHz,
22.81-22.86 GHz*,
23.07-23.12 GHz*,
31.2-31.3 GHz,
31.5-31.8 GHz in Regions 1 and 3,
36.43-36.5 GHz*,
42.5-43.5 GHz,
42.77-42.87 GHz*,
43.07-43.17 GHz*,
43.37-43.47 GHz*,
48.94-49.04 GHz*,
72.77-72.91 GHz*,
93.07-93.27 GHz*,
97.88-98.08 GHz*,
140.69-140.98 GHz*,
144.68-144.98 GHz*,
145.45-145.75 GHz*,
146.82-147.12 GHz*,
150-151 GHz*,
174.42-175.02 GHz*,
177-177.4 GHz*,
178.2-178.6 GHz*,
181-181.46 GHz*,
186.2-186.6 GHz*,
250-251 GHz*,
257.5-258 GHz*,
261-265 GHz,
262.24-262.76 GHz*,
265-275 GHz,
265.64-266.16 GHz*,
267.34-267.86 GHz*,
271.74-272.26 GHz*
are allocated (* indicates radio astronomy use for spectral line observations), administrations are urged to take all practicable steps to protect the radio astronomy service from harmful interference. Emissions from spaceborne or airborne stations can be particularly serious sources of interference to the radio astronomy service (see Nos. S4.5 and S4.6 and Article S29).

Linkki:
http://dsnra.jpl.nasa.gov/freq_man/ra_freqs.html

Vierailija

Netistä löytyi muutama linkki jossa on juuri tätä tarkoitusta varten sopivia kaavoja ynnä muita tietoja:

http://www.users.on.net/~pastol/radio_a ... 0Beamwidth

Taivaan lämpötiloja PSR0329 kohdalla taajuudella n. 400 MHz voidaan arvioida seuraavien karttojen perusteella:

http://ourworld.compuserve.com/homepage ... diosky.htm

http://ourworld.compuserve.com/homepage ... sky_p2.htm

SkyMap ohjelman avulla pystyy myöskin arvioimaan, miten kauan pulsari pysyy keilassa. Jos antennin gain on 27 dBi (gain=500, vastaa noin 5m * 5m antennipinta-alaa ) niin keilanleveys on noin 9 astetta.

psr0329 pysyy keilassa zeniittin lähellä n. 3 tuntia! Eli integrointiakaan on käytettävissä päivittäin yli kolme tuntia, yli 10000 sekuntia.

MrKAT
Seuraa 
Viestejä2234
Liittynyt16.3.2005
HSTa

Mutta minulla oli mielessä kiinteä pieni antenni joka ei seuraa kohdetta. Näin ollen tietty pulsari menee Maapallon pyörimisestä johtuen kerran vuorokaudessa antennikeilan kautta. Ja pulsari pysyy keilassa tietenkin sitä kauemmin mitä leveämpi keila tai pienempi antennin vahvistus (gain) on.

Mielenkiintoista.
Entä voisko tehdä niinku Puerto Ricossa, että kiskoa pitkin vähän matkaa
liukuu se vastaanotin siinä päällä, niin se vaikka tunnin pysyisi melko
tarkkaan suunnattuna vaikka se lautanen onkin kiinteä ja halvalla tehty?

Muutama tähtiyhdistys suunnittelee tekevänsä radioteleskooppia,
mm. Jyväskylän Sirius ry ja ehkä Varkaudessa tai Joensuussa kanssa aikoovat.
http://www.ursa.fi/sirius/sivut/
(ks. vasemmalta "radioteleskooppi").

Homeopatia-skandaali A-talkissa: https://www.youtube.com/watch?v=qXLTz5LhHMU

Loptio
Seuraa 
Viestejä1187
Liittynyt12.4.2005

Taajuusalueesta 406.1-410 MHz Ficora sanoo että:

406,100 - 410,000 MHz SIIRTYVÄ LIIKENNE
406,125 - 406,275 MHz Viranomaiset
406,300 - 407,000 MHz Valvonta, hälytys, kaukomittaus,kauko-ohjaus, datasiirto
407,025 - 407,500 MHz Sotilaskäyttö
407,525 - 408,550 MHz Elinkeinoelämä
408,575 - 409,975 MHz Valvonta, hälytys, kaukomittaus,kauko-ohjaus, datasiirto

Säteilytehot kaistalla 0,5W, 2W ja 5W.

No, laitoin "kuunteluun" tuon kaistan. Katsotaan paljonko löytyy liikennettä tai muuta häiriötä.

EDIT: Kanavajaot tuolla kaistalla näyttävät olevan 25/16 kHz ja 12,5/8 kHz, joten ovelalla taajuuden määrittelyllä voi silläkin vähentää huomattavasti mahdollisia häiriöitä.

Sivut

Uusimmat

Suosituimmat